自主科研儀器再起航——我國斥資1.4億建國際唯一的波長(cháng)可調極紫外自由電子激光

　　對原子、分子的探測是物理化學(xué)研究的基礎，但由于現有儀器設備的限制，大多數分子和自由基難以被單光子電離，使很多研究無(wú)法深入，成為困擾科研工作者的一大難題。

　　一項旨在解決該難題的實(shí)驗裝置即將在我國建設。3月12日，總預算達1.4億元的國家重大科研儀器設備專(zhuān)項“基于可調極紫外相干光源的綜合實(shí)驗研究裝置”在大連正式啟動(dòng)。它將成為國際上唯一一套工作在50～150納米區間且波長(cháng)可調的全相干高亮度的自由電子激光器。

　　項目總負責人、中科院院士楊學(xué)明表示，該裝置的研制將極大提升我國在能源等相關(guān)基礎科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗水平，并極有希望成為國際上相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究基地。

　　強強聯(lián)合

　　項目負責人之一、中科院大連化物所研究員戴東旭介紹說(shuō)，能源研究中，煤的熱解等燃燒過(guò)程的中間產(chǎn)物往往以原子、分子、自由基的形式存在，這些微觀(guān)粒子被電離為離子后才能變成電信號被測試到。因此，對微觀(guān)粒子的高靈敏度、高時(shí)間分辨率和物種分辨的探測和研究至關(guān)重要。

　　但是，大多數分子或自由基的激發(fā)電離波長(cháng)都處于極紫外波段(50～150納米)，而傳統激光器產(chǎn)生的基本波長(cháng)一般在近紫外到近紅外波段(300～1000納米)。這造成了傳統激光激發(fā)電離微觀(guān)粒子需要吸收多個(gè)光子，其效率和靈敏度會(huì )呈幾何量級的降低，并且容易把產(chǎn)物打碎。

　　為解決該問(wèn)題，科學(xué)家提出了利用自由電子激光產(chǎn)生極紫外波段相干光的技術(shù)。該技術(shù)被認為是探測微觀(guān)粒子最有效的途徑。自由電子激光的波長(cháng)可涵蓋從硬X射線(xiàn)到遠紅外的所有波段，特別是利用高增益諧波產(chǎn)生(HGHG)技術(shù)產(chǎn)生的自由電子激光具有超高峰值亮度、超快時(shí)間特性和良好的相干性，應用價(jià)值巨大。

　　但該技術(shù)直到近十年才在實(shí)驗中得到驗證。其中，中科院上海應用物理所在幾年前建設了我國第一個(gè)自由電子激光，并成功進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗。

　　而在大連，一位在科研中多年受困于粒子探測難題的科學(xué)家坐不住了。他就是以自己研發(fā)儀器進(jìn)行實(shí)驗而著(zhù)名的楊學(xué)明。楊學(xué)明找到上海應用物理所，希望雙方能夠合作開(kāi)發(fā)新設備。

　　上海方面通過(guò)經(jīng)驗積累后也意識到，有把握將自由電子激光的波長(cháng)從200納米降到150納米以?xún)�，并�?shí)現波長(cháng)可調。于是雙方一拍即合，經(jīng)過(guò)幾年論證，在2011年聯(lián)合申請了國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器設備專(zhuān)項。

　　1月20日，上海應用物理所宣布：由該所研究員趙振堂領(lǐng)導的自由電子激光研究團隊在國際上率先實(shí)現了HGHG自由電子激光大范圍波長(cháng)連續可調。

　　“在這個(gè)項目中，大連化物所和上海應物所是完美結合�！贝鳀|旭表示，上海光源的建成使上海應物所擁有了大科學(xué)工程的建設與管理經(jīng)驗，并掌握了大量的關(guān)鍵技術(shù)。

　　從“敢想”到“敢做”

　　據戴東旭介紹，自由電子激光在進(jìn)入21世紀之后才開(kāi)始興旺發(fā)展起來(lái)。目前，幾家研發(fā)自由電子激光的相關(guān)單位各有所長(cháng)，其中一些在波長(cháng)等指標方面較為領(lǐng)先，技術(shù)難度很高，但還沒(méi)有一家可實(shí)現波長(cháng)可調。

　　位于合肥的國家同步輻射實(shí)驗室目前能提供國內真空紫外最好的實(shí)驗條件，在過(guò)去曾協(xié)助楊學(xué)明課題組做出很好的實(shí)驗成果。但同步輻射光源畢竟不是激光，在相干性、峰值功率和時(shí)間特性上尚存差異。

　　針對這些問(wèn)題，大連化物所從實(shí)際需求出發(fā)提出要求，上海應用物理所在設計中將目標瞄準解決實(shí)驗中的實(shí)際問(wèn)題。

　　據悉，該項目的設備將主要由我國自主研發(fā)�！斑@項技術(shù)國外也處在發(fā)展階段，有些特殊指標只能自己制造，從國外買(mǎi)設備也需要從頭研制�！贝鳀|旭說(shuō)。

　　在1.4億元的項目總預算中，國家自然科學(xué)基金委資助1.03億元用于自由電子激光和實(shí)驗裝置的研制，中科院大連化物所自籌約0.4億元用于基建和公用設施。該項目的科學(xué)目標是研制一套基于HGHG模式的波長(cháng)可調諧的極紫外相干光源以及利用這一性能優(yōu)越的光源的實(shí)驗裝置。這也將成為世界上獨特的相關(guān)基礎科學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗平臺。

　　據悉，目前經(jīng)費已經(jīng)到位，裝置計劃將于2015年年底前建成。而且會(huì )在全國實(shí)現儀器共享，可應用于物理、化學(xué)、生物、能源等多個(gè)領(lǐng)域。戴東旭說(shuō)：“裝置建成后，以前測不到的將能測到，以前不好的信號將變清晰，以前做不了的實(shí)驗也敢做了�！�